新型基于云平臺(tái)的醫(yī)療平衡救護(hù)床系統(tǒng)

邢世波 李 盛 孫 唯 陶志豪 賈余晉 李嘉斌

（西京學(xué)院，陜西 西安710100）

1 總體設(shè)計(jì)

新型基于云平臺(tái)的醫(yī)療平衡救護(hù)床系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體的血氧濃度、心率、溫度等相關(guān)生理數(shù)據(jù)采集，利用GPS 定位模塊獲取定位信息，并通過運(yùn)用4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊，有效的把采集的信息與數(shù)據(jù)以云平臺(tái)的形式透傳送到遠(yuǎn)程醫(yī)院從機(jī)上并進(jìn)行顯示。此外，通過陀螺儀測量出救護(hù)床的傾斜情況，并迅速將數(shù)據(jù)傳給MCU 主控，最終通過程序算法給出舵機(jī)將要扭轉(zhuǎn)的角度，繼而實(shí)現(xiàn)醫(yī)療平衡救護(hù)床實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

新型基于云平臺(tái)的醫(yī)療平衡救護(hù)床系統(tǒng)，硬件主要包括中央控制器ARM控制芯片控制著整個(gè)系統(tǒng)單元；底盤運(yùn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分控制整個(gè)平臺(tái)在地面的運(yùn)行；平衡舵機(jī)控制電路是控制救護(hù)床的平衡；心率與血氧傳感器電路負(fù)責(zé)采集病人的脈搏和心跳，人體溫濕度傳感器電路負(fù)責(zé)采集人體溫度和溫濕度；其次4G 通信電路將采集的數(shù)據(jù)通過云平臺(tái)進(jìn)行透傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控從機(jī)，并可以通過從機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行串口通信進(jìn)行上位機(jī)顯示。

2.1 系統(tǒng)電源

采用ASM1117 電壓調(diào)節(jié)芯片，運(yùn)用該芯片能夠有效的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，從而利于控制系統(tǒng)誤差，在調(diào)節(jié)過程能夠有效的對(duì)電流進(jìn)行限制，以更好地保障穩(wěn)壓器和電路的正常運(yùn)行。在MP2539 把電壓由12V 轉(zhuǎn)到5V 之后，由開關(guān)K2 決定要不要給系統(tǒng)上電，確保系統(tǒng)的安全性。之后再經(jīng)過ASM1117 電壓轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換為3.3V，供傳感器模塊使用，C34 為極性電容起耦合和濾波作用。

2.2 脈搏血氧心率傳感器模塊

MAX30102 是一種集成了脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊。它具有一個(gè)紅外光LED、光電檢測器，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。

其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白(Hb02)和血紅蛋白(Hb)有選擇性的特定波長的發(fā)光。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。同時(shí)根據(jù)血氧飽和度的定義，其表示為：

SaO2=CHbO2CHbO2+CHb×100%

再通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C 兼容的通信接口，可以將采集到的數(shù)值傳給單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計(jì)算。

2.3 ATK-M750 無線傳輸模塊

ATK-M750 是一款高性能全網(wǎng)通4G DTU 產(chǎn)品。它以高速率、低延遲和無線透傳作為核心功能，可快速解決應(yīng)用場景下的無線透傳方案，傳輸數(shù)據(jù)不受距離的限制。該產(chǎn)品支持多種工作模式：NET/HTTP/MQTT/RNDIS；支持接入云服務(wù)器平臺(tái)：原子云/阿里云/百度云/OneNET；支持自動(dòng)重連、掉線監(jiān)測、內(nèi)置看門狗、確保穩(wěn)定可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括傳血氧濃度人體脈搏檢測程序、存儲(chǔ)程序、GPS 模塊定位程序、底盤運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序、救護(hù)床平衡程序以及4G 模塊通信程序，另一部分是通過遠(yuǎn)程監(jiān)控手段，有效的監(jiān)控主機(jī)端的各項(xiàng)軟件以及數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)框架如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

3.1 原子云平臺(tái)

原子云即原子云服務(wù)器，也是現(xiàn)流行的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，目前它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、轉(zhuǎn)發(fā)和管理等功能。原子云域名為：cloud.alientek.com，端口號(hào)為：59666。用戶可以選擇啟用原子云功能，快速的實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備與原子云服務(wù)器的連接。可以通過以下條件來判斷DTU 是否注冊(cè)上原子云。

圖2 位置PID 控制原理圖

3.2 原子云配置步驟

想使用ATK-M750 連上原子云，首先我們需要對(duì)模塊進(jìn)行AT 指令配置，配置GPRS DTU 工作在網(wǎng)絡(luò)透傳模式，地址為cloud.alientek.com，端口號(hào)為59666，在上位機(jī)配置好后，就可以開始配置原子云服務(wù)器了。配置步驟如下：

3.2.1 登陸原子云服務(wù)器：https://cloud.alientek.com，創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在“新增設(shè)備- 選擇設(shè)備類型”中選擇“LTE-DTU”類型。然后輸入“設(shè)備名稱和密碼”，選擇“新增”就可以成功創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備。

3.2.2 配置DTU 的設(shè)備編號(hào)與設(shè)備密碼參數(shù)。新增設(shè)備節(jié)點(diǎn)成功后，就能在設(shè)備節(jié)點(diǎn)列表中查看剛剛新增成功的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，將上一步中新增的設(shè)備編號(hào)和設(shè)備密碼填入上位機(jī)中就可以實(shí)現(xiàn)DTU 與原子云之間的連接。

3.2.3 創(chuàng)建兩個(gè)分組。點(diǎn)擊“創(chuàng)建分組”開始創(chuàng)建分組。由于透傳是建立在組與組之間的，在創(chuàng)建分組后，還需要將設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配到對(duì)應(yīng)的分組中，一個(gè)分組下添加一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在“設(shè)備管理”界面下，點(diǎn)擊“分組操作”。

3.2.4 創(chuàng)建透傳管理組。點(diǎn)擊“創(chuàng)建透傳組”開始創(chuàng)建透傳組。在A 設(shè)備組和B 設(shè)備組下，分別選擇需要透傳的兩個(gè)設(shè)備分組，然后在列表中選中需要透傳的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。最后點(diǎn)擊“保存”，原子云就會(huì)在分組之間建立起數(shù)據(jù)透傳關(guān)系。最后用戶只需要將DTU 連接到原子云對(duì)應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)上，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DTU 之間的數(shù)據(jù)透傳。

3.3 位置PID 控制算法

這里我們引入了位置PID 算法，

Velocity1=Position_ PID1 (Positionl, Target1) ;

Position1+=velocity1;

TIM4->CCR1=Position1 ;

其中我們使用Velocity1 用于代表舵機(jī)的速度，這個(gè)值根據(jù)目標(biāo)值和舵機(jī)的實(shí)際位置計(jì)算得到，然后以積累的方式，將賦值有效的作用到舵機(jī)，這樣可以提高對(duì)于舵機(jī)的調(diào)節(jié)能力，利于控制PID 參數(shù)，從而保障運(yùn)行效率。此外，在接近目標(biāo)位置時(shí)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)減速，可以防止慣性因素造成的減速箱損耗問題發(fā)生。

根據(jù)位置式離散PID 公式

pwm=Kp*e(k)+∑e(k)+Kd[e(k)-e(k-1)]

int Position_PID (int Encoder,int Target)

{

static float Bias,Pwm,Integral_bias,Last_Bias;

Bias=Encoder-Target; //計(jì)算偏差

Integral_bias+=Bias; //求出偏差的積分

Pwm=Position_KP*Bias+Position_KI*Integral_bias+Position_KD*

(Bias-Last_Bias);

Last_Bias=Bias; //保存上一次偏差

return Pwm; //輸出

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)目前老齡化的現(xiàn)狀和醫(yī)療救護(hù)系統(tǒng)的迫切需求，設(shè)計(jì)一種新型基于云平臺(tái)的醫(yī)療平衡救護(hù)床。這種新型平衡救護(hù)床不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)平衡，確保病人的運(yùn)轉(zhuǎn)安全，而且能夠通過救護(hù)床上的血氧濃度人體脈搏傳感器等多種生理監(jiān)測設(shè)備對(duì)病員的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)經(jīng)由無線模塊和云平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以方便醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和病情監(jiān)控。本設(shè)計(jì)的開展能夠滿足醫(yī)院醫(yī)療救護(hù)的迫切需求，研發(fā)成果具有廣闊的市場應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。